还原氧化石墨烯/钙铝12氧19杂化复合材料作为用于质子耦合多巴胺检测的稳定电化学界面

《Inorganic Chemistry Communications》：Reduced graphene oxide/CaAl12O19 hybrid composite as robust electrochemical interfaces for proton-coupled dopamine sensing

　　

Poochi Manorama|Muthusamy Kandasamy|Geetha Das|Mani Durai|Niraj Kumar|Dharani Shanmugapriya|Vijayakumar Paranthaman|Mohammed Mujahid Alam|Perumal Rameshkumar

印度泰米尔纳德邦克里希南科伊尔，卡拉萨林加姆研究与教育学院（视为大学）高级科学学院化学系，邮编626126

摘要

多巴胺失衡是精神分裂症、阿尔茨海默病和帕金森病等神经系统疾病病理生理学中的关键因素；然而，由于界面污染、缓慢的质子耦合电子转移以及传统电极较差的长期稳定性，实现超灵敏且长期稳定的电化学检测仍然具有挑战性。本研究旨在开发经缺陷工程设计的多元阳离子氧化物体系用于多巴胺生物传感。研究系统地探讨了CaAl₁₂O₁₉（CAO）和RGO/CaAl₁₂O₁₉（RCAO），以分析晶格组成、缺陷化学性质以及界面电荷转移动力学之间的关系。经过优化的RCAO电极具有更大的电化学表面积，为0.072平方厘米，同时电子转移效率更高，且对pH值的响应接近能斯特方程关系（58毫伏/pH单位负值），这表明其氧化过程涉及两电子、两质子的传递，并受扩散控制的物质传输影响。该RCAO电极的检测限为7.9纳摩尔，定量限为24纳摩尔，灵敏度为2.75微安·微摩尔负一次方·平方厘米负一次方，具备出色的抗干扰能力，在长时间循环使用后仍能保持90%的信号强度，且在真实生物样本中检测多巴胺时表现稳定。本研究建立了经缺陷工程设计的多元阳离子氧化物的结构-性质-性能关系，为设计出高效、稳定的电化学传感界面以实现对神经递质的精准检测提供了依据。

引言

由于金属氧化物基材料具有结构稳定、缺陷位点可调控以及良好的界面电荷转移特性，利用它们进行神经递质生物分子的电化学传感受到了广泛关注。与传统的碳基电极相比，金属氧化物具有可调节的晶格组成、缺陷工程改造能力以及多种催化吸附位点，这些都有助于推动电化学反应的发生[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。诸如ZnO、SnO₂、NiO、MoO₃、Co₃O₄和CeO₂之类的氧化物基电化学界面，因其较高的电活性表面积、氧空位缺陷以及良好的电荷转移特性，在多巴胺传感方面展现出良好的电催化性能。阳离子诱导的晶格缺陷以及富含氧空位的位点会显著影响吸附强度、电荷重分布以及质子耦合电子转移反应[6]、[7]、[8]、[9]。不过，尽管有这些优势，大多数氧化物体系由于带隙较大，存在本征导电性差以及界面电子转移效率低的问题。此外，关于晶格缺陷、电活性表面积与电化学传感性能之间关系的系统研究仍不够充分。目前多数研究仅侧重于经验性的信号增强，而非建立氧化物基多巴胺传感体系的清晰结构-性质-性能关系。

为克服导电性限制并提升催化稳定性，将半导体金属氧化物与导电碳网络结合而成的混合结构越来越受到重视[10]。尤其是还原石墨烯氧化物，它具有π共轭结构，表面面积大、导电性高且电荷传输性能良好，因此是电化学传感领域的理想材料[11]。将RGO引入金属氧化物体系中，能够提升电活性表面积、界面电子转移动力学性能、生物分子吸附能力以及整体的电化学传感性能。此外，RGO与芳香族多巴胺分子之间的π-π相互作用，有助于在电化学氧化过程中增强吸附效果和电荷转移。正因如此，金属氧化物/RGO混合体系已成为生物和药物分析领域极具前景的电化学传感界面[12]、[13]、[14]、[15]。然而，关于氧化物缺陷、吸附能、能带对齐以及电子转移动力学之间的界面协同作用机制，目前仍缺乏深入理解[16]。

多巴胺是一种重要的儿茶酚胺类神经递质，参与多种生理过程，包括运动控制、认知功能、记忆形成、激素调节以及内分泌信号传导[17]、[18]、[19]、[20]。在突触环境中维持适当的多巴胺水平对于正常的神经活动至关重要。多巴胺信号传导失调与多种神经退行性疾病和精神疾病有关，比如阿尔茨海默病、亨廷顿病、帕金森病以及精神分裂症[21]、[22]、[23]、[24]、[25]。因此，人们非常希望开发出具有高灵敏度、高选择性以及长期稳定性的分析方法，以便在临床诊断和神经科学研究中应用。电化学技术因其极高的灵敏度、快速的分析响应速度、成本效益高以及适合集成到微型化或可植入式传感系统中，而在多巴胺传感领域受到了极大关注[26]、[27]。在电化学检测过程中，多巴胺会发生氧化反应，该反应涉及两电子和两质子的耦合转移（即质子耦合电子转移），其主要的氧化产物为多巴胺邻醌[28]。因此，电化学响应对表面吸附能、催化位点的可及性以及界面电子转移动力学极为敏感。然而，在生物环境中实现可靠的多巴胺检测仍面临挑战，因为尿素和尿酸这类电活性干扰物在样品中的浓度要高得多，且它们的氧化电位存在重叠[29]。此外，多巴胺的氧化产物还可能在电极表面发生聚合，从而导致电极污染以及信号逐渐衰减。虽然传统的碳基电极具有较好的电催化性能，但它们往往存在表面钝化以及长期工作稳定性差的问题。

在各类氧化物材料中，CaAl₁₂O₁₉（CAO）具有热稳定性和化学稳定性，属于磁铅矿型晶体结构，拥有多种氧配位环境，能够产生氧空位以及具有活性的缺陷位点。这些富含缺陷的位点有助于多巴胺的吸附，并在电化学氧化过程中促进质子耦合电子转移反应的发生。此外，CAO的刚性氧化物晶格能够在反复的电化学循环中使用中保持结构稳定，这对于长期传感应用十分有利。不过，CAO本身较低的导电性可能会限制其电化学响应能力。为解决这一问题，研究者将RGO引入其中，通过氧化物与碳之间的协同作用，提升材料的导电性、促进有效的电荷传输，并增加电活性表面积。

在本研究中，系统地研究了CAO以及RGO/CaAl₁₂O₁₉（RCAO）电化学界面在多巴胺传感中的应用。与以往主要通过导电性混合来提升信号强度的RGO/金属氧化物混合物不同，本研究重点探讨了经缺陷工程设计的CAO晶格、氧空位辅助的电化学行为以及界面电荷转移特性在多巴胺传感中的作用。CAO用于提供具有缺陷辅助功能的催化活性位点以及结构稳定性，而RGO则作为导电网络，有助于实现高效的界面电荷传输以及提升电活性表面积。研究者系统地分析了CAO与RGO之间的协同作用与晶格结构、缺陷化学性质、电活性表面积、扫描速率依赖的动力学特性、pH响应行为以及电化学传感性能之间的关系。此外，还通过电化学阻抗谱分析、Laviron分析以及基于扩散/吸附控制的动力学评估等机理分析方法，建立了描述氧化物/碳界面处多巴胺氧化过程的结构-性质-性能关系。本研究成功地将CAO和RCAO体系应用于多巴胺的电化学传感之中。

章节节选

材料

九水合硝酸铝（Al(NO₃)₃·9H₂O；纯度98%）、四水合硝酸钙（Ca(NO₃)₂·4H₂O；纯度99%）、柠檬酸（C₆H₈O₇，纯度99%）、三水合铁氰化钾（K₄[Fe(CN)₆]·3H₂O；纯度98.5%）、氯化钾（KCl；纯度99.5%）、盐酸多巴胺（纯度98%）、甲醇（纯度99.8%）、尿酸（纯度99%）、尿素（纯度99.5%）、氢氧化钠（NaOH，纯度97%）以及盐酸（HCl，浓度为0.1 N），均由印度Sisco研究实验室提供。磷酸二氢钠（NaH₂PO₄，纯度99.99%）、磷酸氢二钠

结构、形貌与表面化学分析

图1展示了CAO和RCAO样品的X射线衍射图谱。CAO的衍射图谱与CaAl₁₂O₁₉的晶面特征高度吻合（PDF编号00–038-0470），这说明该材料为单相结构，合成成功[30]。RCAO样品的衍射峰与CAO相似，说明加入RGO并未改变CAO的晶格结构，也没有出现额外的杂质峰。而典型的RGO衍射峰则并未出现

结论

在本研究中，研究人员合成了由CAO和RCAO构成的纯相多元阳离子氧化物体系，并对其用于电化学多巴胺传感的性能进行了研究。通过比较电化学测试结果发现，与未经处理的石墨碳电极相比，表面改性显著提升了电极的电活性表面积以及界面电子转移性能。在所研究的各类电极中，RCAO的电化学表面积最大，为0.072平方厘米，同时其电化学响应速度更快，电荷转移性能也更为优异。

CRediT作者贡献说明

Poochi Manorama：撰写——初稿撰写、实验研究、数据整理。Muthusamy Kandasamy：撰写——审阅与编辑、结果验证、资源获取、方法设计。Geetha Das：可视化处理、定量分析、数据整理。Mani Durai：撰写——审阅与编辑、初稿撰写、软件应用、实验研究、概念构思。Niraj Kumar：撰写——审阅与编辑、结果验证、资源获取、定量分析。Dharani Shanmugapriya：结果验证、软件应用、资源获取、定量分析。Vijayakumar

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

作者还要衷心感谢国王哈利德大学科学研究与研究生院通过“大型研究”项目为这项研究提供的资金支持，该项目的资助编号为RGP2/139/1446。

Poochi Manorama毕业于特里奇的圣十字学院，获得化学学士学位，后又从哥印拜陀的阿维纳希·林加姆学院取得硕士学位。她还曾在马杜赖卡马拉吉大学完成哲学硕士学位。目前，她是卡拉萨林加姆研究与教育学院化学系的研究学者，研究兴趣集中在光化学和电化学领域。